传感器原理与检测技术 教学课件 ppt 作者 钱显毅 第5章

第5章 压电式传感器,5.1 压电效应 5.1.1 石英晶体的压电效应 5.1.2 压电陶瓷的压电效应 5.2 压电材料 5.2.1 石英晶体 5.2.2 压电陶瓷 5.3 压电式传感器的等效电路和测量电路 5.3.1 等效电路 5.3.2 测量电路 5.4 压电式传感器的应用 5.4.1 压电式加速度传感器 5.4.2 压电式压力传感器,第5章 压电式传感器,5.4.3 压电式流量计,5.1 压电效应,5.1.1 石英晶体的压电效应 5.1.2 压电陶瓷的压电效应,5.1.1 石英晶体的压电效应,1) 无论是正或逆压电效应，其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间呈线性关系。 2) 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。 3) 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应。,5.1.1 石英晶体的压电效应,图5-1 石英晶体 a)理想石英晶体的外形 b) 坐标系,5.1.1 石英晶体的压电效应,图5-2 硅氧离子的排列示意图 a)硅氧离子在Z平面上的投影 b)等效为正六边形排列的投影,5.1.1 石英晶体的压电效应,图5-3 石英晶体的压电机构示意图 a)=0 b) 0,5.1.1 石英晶体的压电效应,图5-4 石英晶体切片,5.1.1 石英晶体的压电效应,图5-5 晶片上电荷极性与受力方向的关系,5.1.2 压电陶瓷的压电效应,图5-6 压电陶瓷中的电畴变化示意图 a)极化处理前 b)极化处理过程中 c)极化处理后,5.1.2 压电陶瓷的压电效应,图5-7 陶瓷片内束缚电荷与电极上,5.1.2 压电陶瓷的压电效应,图5-8 正压电效应示意图,5.1.2 压电陶瓷的压电效应,图5-9 逆压电效应示意图 注：实线代表形变前的情况， 虚线代表形变后的情况。,5.2 压电材料,5.2.1 石英晶体 5.2.2 压电陶瓷,5.2.1 石英晶体,图5-10 石英晶体的系数相对于,5.2.1 石英晶体,图5-11 石英晶体在高温下相对介,5.2.2 压电陶瓷,1.钛酸钡压电陶瓷 2.锆钛酸铅系压电陶瓷,1.钛酸钡压电陶瓷,钛酸钡是由碳酸钡和二氧化钛按11摩尔比混合后充分研磨成形，经高温13001400烧结，然后再经人工极化处理得到的压电陶瓷。这种压电陶瓷具有很高的介电常数和较大的压电系数(约为石英晶体的50倍)，但不足之处是居里温度低(120)，温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,2.锆钛酸铅系压电陶瓷,锆钛酸铅(PZT)是组成的固体。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在钴钛酸中添加一种或两种其他微量元素(如铌、锑、锡、钨等)还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中最广泛应用的压电材料。,5.3 压电式传感器的等效电路和测量电路,5.3.1 等效电路 5.3.2 测量电路,5.3.1 等效电路,图5-12 压电式传感器的等效原理图,5.3.1 等效电路,图5-13 压电式传感器的等效电路 a)电压等效电路 b)电荷等效电路,5.3.1 等效电路,图5-14 压电式传感器的完整等效电路 图5-16中，为传感器的电容；为前置放大器的输入电容；为连接导线对地电容；为包括连接导线在内的传感器绝缘电阻；为前置放大器的输入电阻。,5.3.2 测量电路,1.电压放大器 2.电荷放大器,1.电压放大器,图5-15 压电式传感器连接电压放大器的等效电路,1.电压放大器,图5-16 阻抗变换电路,2.电荷放大器,图5-17 电荷放大器的原理电路,2.电荷放大器,图5-18 压电式传感器接至电荷放大器的等效电路,5.4 压电式传感器的应用,5.4.1 压电式加速度传感器 5.4.2 压电式压力传感器 5.4.3 压电式流量计,5.4.1 压电式加速度传感器,1.结构原理 2.动态响应,1.结构原理,图5-19 纵向效应型加速度传感器的截面图 1电极 2质量块 3螺母 4压电陶瓷 5传感器基座,1.结构原理,图5-20 层叠式压电元件的并联和串联 a)并联 b)串联,2.动态响应,图5-21 二阶模拟系统,2.动态响应,图5-22 压电式加速度传感器的频率响应特性,5.4.2 压电式压力传感器,图5-23 压电式压力传感器的原理图 1引线 2壳体 3基座 4压电晶片 5受压膜片 6导电片,5.4.3 压电式流量计,图5-24 压电式流量计,